JP2019534411A - ガスタービン内への空気質量流量を測定するためのシステム - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンの圧縮機セクション内への空気質量流量を測定するための方法が提供される。空気は圧縮機セクションの入口から上流のチャンバー内に導入される。チャンバーはフィルターパッケージを含み、少なくともいくつかのフィルターパッケージは流量センサーおよびフィルター構造体を含み、フィルター構造体は空気を濾過する。流量センサーは、対応するフィルターパッケージを通って流れる空気の速度を測定する。コントローラーは、チャンバーを通る二次元流れ場を特徴付けるために空気流量センサーの信号データを利用する。さらに、複数の温度、湿度および静圧センサーがフィルターパッケージ全体にわたって配置される。コントローラーは、チャンバーを通る二次元密度場を特徴付けるために、温度、湿度および静圧センサーの信号データを利用する。コントローラーは、二次元空気質量流れ場を計算するために流れ場と密度場とを組み合わせる。

Description

本出願は、２０１４年３月１８日に出願された、「System and Method for Monitoring Air Flow into a Turbine Engine」と題するＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０３１０１３号の一部継続出願であり、その優先日の利益を主張する。

本開示は、概して、ガスタービンエンジンの圧縮機セクションの入口内への空気質量流量を測定するための方法およびシステムに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの圧縮機セクションの入口内への全空気質量流量を測定するための方法およびシステムに関する。

ガスタービンエンジンなどのターボ機械では、空気が圧縮機セクションで加圧され、次いで燃料と混合され、燃焼器セクションで燃焼させられて高温の燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスはエンジンのタービンセクション内で膨張させられ、そこでエネルギーが燃焼ガスから抽出されて圧縮機セクションに動力を供給し、発電機を回して発電するなどの有用な仕事を生み出す。

空気質量流量は、ガスタービンの効率を決定する重要な基準である。この量を正確に測定することは困難である。というのは、ほとんどの正確な測定方法それ自体が空気流に対するインピーダンスを作り出し、これはエンジンによって生み出される動力を著しく低減させるからである。他の技術は、非常に費用がかかるか、不正確であるか、あるいは正確ではあるが大きな配置スペースを必要とすることが分かっている。

大型ガスタービン内への空気質量流量を正確に測定する一つのそうした従来方法は、大型ノズルの大規模なアレイを使用することである。フローノズルは非常に低いインピーダンスしか有しておらず、したがって空気質量流量の正確な測定を実施することができる。しかしながら、フローノズルを使用することは、その設定要件を満たすために広大なスペースを必要とし、しかも非常に高価である。加えて、フローノズルを横切る比較的大きな圧力降下はエンジンの出力を減少させる。

一般にスクロールｄＰ法と呼ばれる、しばしば使用される別な従来の方法は、システムの出力性能、燃料パラメーター、圧縮機入口での圧縮機取入れ口気圧と入口スクロールのスロート部における静圧との間の差、そして取入れ口空気温度を用いる式によって、ガスタービンの空気質量流量を推定する。この推定は、高負荷運転のために使用された場合はかなり正確であるが、全ての負荷条件下で一貫して正確ではない。さらに、この方法は性能評価のための質量流量推定値を与えるだけであり、空気取入れ口内の流れ分布を監視するのには有用ではない。したがって、それを局所的に空気取入れ口の流れ効率を最適化するために使用することはできない。

ガスタービンエンジンの圧縮機セクションへの入口において空気質量流量を測定するための正確かつ費用のかからない方法が求められている。

簡単に言うと、本開示の態様は、ガスタービンエンジンの圧縮機セクション内への空気質量流量を測定するための方法およびガスタービンエンジンの圧縮機セクション内への空気質量流量を測定するためのシステムに関する。

ガスタービンエンジンの圧縮機セクション内への空気質量流量を測定するための方法が提供される。空気は圧縮機セクションの入口から上流のチャンバー内に導入され、チャンバー内に導入された空気の実質的に全部が、並列に配置された複数のフィルターパッケージのうちの一つを通過する。フィルターパッケージの少なくともいくつかは、流量センサーとフィルター構造体とを含み、フィルター構造体は空気を濾過する。流量センサーは、対応するフィルターパッケージを通って流れる空気の速度を測定する。コントローラーは、空気流量センサー信号データを使用して、チャンバーを通る二次元流れ場を特徴付ける。さらに、複数のセンサーが複数のフィルターパッケージ全体にわたって配置される。複数のセンサーは、温度、湿度および静圧センサーを含む。コントローラーは、チャンバーを通る二次元密度場を特徴付けるために、温度、湿度および静圧センサー信号データを使用する。次に、コントローラーは、流れ場を密度場と組み合わせて、二次元空気質量流れ場を計算する。

ガスタービンセクションの圧縮機セクション内への空気質量流量を測定するためのシステムが提供される。このシステムは、圧縮機セクションの入口から上流にチャンバーを含む。さらに、このシステムは、チャンバー内の少なくとも一つの開口と流体連通する複数のフィルターパッケージを含む。チャンバーは、それを通って空気がチャンバー内に入る少なくとも一つの開口と、それを通って空気が圧縮機セクションの入口内に入る出口とを含む。複数のフィルターパッケージが、圧縮機セクション内に導入するためにチャンバーに入る空気の実質的に全てがフィルターパッケージのうちの対応するものを通過するように並列に配置される。フィルターパッケージの少なくともいくつかは、流量センサーおよびチャンバーの少なくとも一つの出口から圧縮機セクションの入口へと送られる空気を濾過するフィルター構造体を含む。フィルターパッケージの少なくともいくつかは、温度センサー、湿度センサーおよび静圧センサーからなる群から選択される複数のセンサーのうちの少なくとも一つのセンサーを含む。各流量センサーは、対応するフィルターパッケージを通って流れる空気の速度を測定する。

一実施形態によるエンジンの圧縮機セクションから上流にチャンバーを含むタービンエンジンの概略図である。 図１に示すチャンバーの概略斜視図である。 一実施形態による、図２のチャンバー内に設けられた二つのフィルターパッケージを示す側断面図である。 さらなる実施形態による円錐形フィルターパッケージを示す側断面図である。 空気取入れ設備内での流量センサーと、温度、湿度および静圧センサーの散在分布を示す図である。 補間された流れ場を示す図である。 提案された方法ステップを含むフローチャートである。

本開示の実施形態、原理および特徴の理解を容易にするために、例示的な実施形態における実施方法を参照して、それを説明する。しかしながら、本開示の実施形態は、説明されるシステムまたは方法での使用には限定されない。

さまざまな実施形態を構成するものとして以下に説明される構成要素および材料は例示的であり、限定的ではないことが意図されている。本明細書に記載の材料と同じかまたは類似の機能を果たすであろう多くの好適な構成要素および材料が本開示の実施形態の範囲内に包含されることが意図されている。

ガスタービンへの空気取入れ設備内では、以下で説明するように、圧縮機セクション内に入る空気を濾過するために二つのタイプのフィルター構造体を使用することができる。平坦な静的矩形フィルターが、通常は、フィルターが平行でかつ同じ平面内にあるように格子状のパターンで空気取入れ設備内に設置される。円錐形の自浄式フィルターもまた取入れ設備で使用することができ、互いに平行に配置することができる。これらの自浄式パルスフィルターは、ダストの多い環境で頻繁に使用され、ダストの堆積量に応じて作動させられる。自浄機能が作動させられると、フィルターを通して空気のパルスが発射され、フィルター構造体に蓄積されたダストを除去する。安価で正確な質量流量測定システムは、両方のタイプのフィルター、平坦な静的フィルターおよび円錐形パルスフィルターを使用するガスタービンエンジンの圧縮機入口に挿入することができ、これについては後述する。提示された方法に関連して二つのタイプのフィルターが以下で説明されるが、当業者は提案された方法において他のタイプのフィルターが使用されてもよいことを理解するであろう。

図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０が概略的に示されている。エンジン１０は、従来の圧縮機、燃焼器およびタービンセクション１２，１４，１６を含み、これらについては本明細書では詳細に説明しない。

圧縮機セクション１２は、この圧縮機セクション１２の入口２０（以下、圧縮機入口２０）に配置された少なくとも一つの入口案内羽根１８を含み、少なくとも一つの入口案内羽根１８の角度は、当該技術分野においては既知のように、圧縮機入口２０に入る空気の量を微調整するために調節することができる。

図１に示すように、圧縮機セクション１２の上流にチャンバー３０が存在する。チャンバー３０内に空気流Ｆが導入される。チャンバー３０は、本明細書で詳細に説明されるように、圧縮機セクション１２内への空気流量を監視するために使用されるシステム３２の一部である。チャンバー３０は、大量の空気を圧縮機入口２０に送り込むための大きな容積とすることができる。

ここで図２を参照すると、チャンバー３０は少なくとも一つの開口３４を含み、それを通して空気、例えば周囲空気Ｆがチャンバー３０に入る。図２に示される実施形態では、チャンバー３０は、圧縮機入口２０に対向してチャンバー３０の外壁３６に沿って平行に配置された一連の開口３４を含むが、チャンバー３０は、壁３６に形成された単一の大きな開口を含む、チャンバー３０内の任意の位置に配置された任意の形状の開口３４を有することができる。

チャンバー３０はさらに、それを通って空気が圧縮機入口２０に導かれる少なくとも一つの出口３８を備える。図示の実施形態では、空気は一つまたは複数の空気供給管４０を介してチャンバー３０から圧縮機入口２０に直接導かれるが（図１も参照）、空気は圧縮機入口２０に進む前に一つまたは複数の他の構造体に導かれてもよく、そして空気は必要に応じて他の適切な輸送構造体を介して圧縮機入口２０に導かれてもよい。

チャンバー３０に出入りする空気（および他の流体）の漏出を実質的に防止するために、チャンバー３０は、開口３４および出口３８以外の非密封開口を含まないことが好ましい。すなわち、通常の動作中、開口３４内への空気の流入および出口３８からの空気の流出以外には、チャンバー３０内への流体の流入およびチャンバー３０からの流体の流出が存在しないことが好ましい。

チャンバー３０は、開口３４と流体連通する複数のフィルターパッケージ５０をさらに備える。図２に示すように、フィルターパッケージ５０は、このフィルターパッケージ５０が平行に配置されるように、それぞれの開口３４内に配置され、圧縮機セクション１２内へのその後の導入のためにチャンバー３０内に入る実質的に全ての空気は、フィルターパッケージ５０の対応するものを通過する。フィルターパッケージ５０は、それぞれの開口３４内で封止されているので、空気は対応する開口３４を経てフィルターパッケージ５０をバイパスすることができない。図２に示す実施形態では、フィルターパッケージは矩形でかつ実質的に平坦なものとして示されており、開口３４の平面内に嵌合する。

円錐形パルスフィルター７５を使用する実施形態では、パルスフィルターは、空気の流れＦに対して垂直な、図２の単一平面開口３４内に配置することができる。円錐形の側は、空気流Ｆの方向に抗するように向けられている。すなわち、コーンの小さい方の端部は新鮮な空気中ではチャンバー３０のＯＵＴ側にあり、一方、コーンの大きい方の出口は圧縮機の入口２０に向かってチャンバー３０の内側にある。一実施形態では、円錐形パルスフィルター７５は、この円錐形パルスフィルター７５の大きい方の端部が孔に収まるように、各円錐形のパルスフィルターの大きい方の端部を収容することができる孔を含む外壁に取り付けることができる。

次に図３を参照すると、一実施形態による二つの隣接するフィルターパッケージ５０が示されている。システム３２内のフィルターパッケージ５０の少なくともいくつかは流量センサー５２およびフィルター構造体５４を含み、このフィルター構造体５４は多くの形態をとることができるが、その一つを図３を参照してそれぞれ説明する。図３に示すように、この実施形態によるフィルター構造体５４は、本明細書ではフィルター構造体５４の構成要素（またはフィルター構造体構成要素）とも呼ばれるプレフィルター６０を流量センサー５２の上流に備える。プレフィルター６０は、それを通過する空気、すなわち、図３に示すようにプレフィルター６０を通ってチャンバー３０の外部Ｏｕｔからチャンバー３０の内部Ｉｎへと移動する空気を、空気が流量センサー５２を通って概ね二次元層状に流れるように整流する（この流量センサー５２は図３に示すようにプレフィルター６０の下流にある）。これは、流量センサー５２によって取得されるより正確な流量示度のために好ましいが、この示度については以下でより詳細に説明する。プレフィルター６０は、例えば、DonaldsonＰＴ−１２４９プレフィルターのような好適な構造体を含み得る。

図３に示すように、この実施形態によるフィルター構造体５４はまた、チャンバー３０の少なくとも一つの出口３８から圧縮機入口１２へと送り込まれる、チャンバー３０の内部ＩＮに入る空気を濾過するためのメインフィルター要素として働くメインフィルター６２を含む。メインフィルター６２は、例えば、Donaldson NORRVEEシリーズElement Assmblyのような適切な構造体を含むことができる。

さらに図３を参照すると、この実施形態による流量センサー５２は、プレフィルター６０とメインフィルター６２との間のフィルターパッケージ５０内に画定された流路６４内に配置される。この実施形態では、フィルターパッケージ５０が平行流量測定ボックスとして配置される。流量センサー５２は、例えば、RuskinモデルＡＭＳ流量計のような適切な構造体を含むことができる。これらの流量測定デバイスは、一般的に、空調業界で使用されている。この実施形態による例示的な流量センサー５２は、それを通って流れる空気の速度を測定し、測定された速度に基づいてコントローラー７０に信号を送信する（図３参照）が、別なタイプの流量センサーが本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく使用できることに留意されたい。

コントローラー７０は、システム３２内の全ての流量センサー５２から信号を受信し、受信した信号に部分的に基づいて圧縮機セクション１２内への導入のためのチャンバー３０内への空気の流量を計算する。より具体的には、一実施形態によれば、流量センサー５２を含む各対応するフィルターパッケージ５０を通る総空気流量は、例えば対応する流量センサー５２によってコントローラー７０に送信される信号で提供される空気の測定された速度、既知の方法でコントローラー７０に提供されてもよい空気の温度、および対応するフィルターパッケージ５０によって画定される流動面積（この流動面積は流路６４を通過する空気の流動方向に対して垂直な平面内で測定されかつコントローラー７０に入力される既知の値である）を使用して、コントローラー７０によって計算される。コントローラーは、既知の方法で、例えば上述したようなパラメーターを使用して、流量センサー５２を有する各対応するフィルターパッケージ５０を通る流量を計算する。

コントローラー７０は、流量センサー５２を有する各フィルターパッケージ５０を通る計算された総空気流量、および流量センサー５２を含まないフィルターパッケージ５０に関するフィルターパッケージ５２を通る推定空気流量の合計を用いて、圧縮機セクション１２内への導入のためのチャンバー３０内への総空気流量を計算することができる。流量センサー５２を含まないフィルターパッケージ５０を通る推定空気流量は、例えば、流量センサー５２を有する各フィルターパッケージ５０を通る計算された総空気流量の平均を用いる等、適切な方法で得ることができる。コントローラー７０は、例えば、流量センサー５２を有する各フィルターパッケージ５０を通る計算された総空気流量の平均を用い、加算ではなく、この平均にフィルターパッケージ５０の数を掛ける等、他の適切な技術を用いて、圧縮機セクション１２内への導入のためのチャンバー３０内への総空気流量を計算することができることに留意された。

上述したように、フィルターパッケージ５０の全てが流量センサーを含まなければならないわけではない。流量センサーは、ある割合のフィルターパッケージ５０が流量センサー５２を含むように、ガスタービン空気取入れ設備全体にわたってフィルターパッケージ５０のいたるところに疎に分布させることができる。流量センサーを含むフィルターパッケージ５０の典型的な割合は１５ないし５０％の範囲にあってもよい。図１ないし図３にチャンバー３０として示されている、ガスタービン空気取入れ設備内でのフィルターパッケージ５０全体にわたる流量センサー５２の分布の一実施形態を図５に見ることができる。流量センサー５２は、それらがガスタービンの空気取入れ口全体にわたって均等に分布するように割り当てられてもよい。別の実施形態では、流量センサー５２の分布は、補間誤差を最小にするために、大流量の領域および流量勾配を考慮に入れることができる。

モデル化は、空気流量信号データを補間して、流量センサー５２を用いずにフィルターパッケージ５０からの推定流量を特定することができるので、コントローラー７０上でなされるコンピュータモデル化の使用を通じて、ある割合のフィルターパッケージ５０のみが流量センサー５２を含んでいればよい。この実施形態による流量センサー５２を含まないそのようなフィルターパッケージ５０は、プレおよびメインフィルター６０，６２を含むフィルター構造体５４を依然として含むことが好ましく、プレフィルター６０は、空気がプレフィルター６０とメインフィルター６２との間に画定された流路６４を通って略二次元層状に流れるように、それを通過する空気を整流し、そしてメインフィルター６２は、プレフィルター６０を通過した後にチャンバー３０の出口から圧縮機入口２０へと送り込まれるための空気を濾過するためのメインフィルター要素を提供する。

別の実施形態では、円錐形パルスフィルター装置をチャンバー３０内で使用することができる。円錐形パルスフィルターは空気流方向に互いに平行に存在する。図３を参照して説明したような流量センサー装置は、円錐形パルスフィルター装置に関するいくつかの問題を提起する。第一に、この実施形態におけるフィルターパッケージ５０は矩形であるので、それらの出口は円錐形フィルターの入口と一致せず、その結果、空気流はフィルターの後方を容易に通過し、流量測定に不確実性を生じさせる。第二に、セルフクリーニング機能が作動させられると、流量センサーを含む流路にダストが吹き込まれ、センサー測定ポートを塞ぐ可能性がある。したがって、ある実施形態では、フィルターパッケージ５０の異なる配置が提案される。

ここで図４を参照すると、一実施形態による、センサーシステム７７を有する円錐形パルスフィルター７５を備えるフィルターパッケージが提示されている。図示の実施形態は円錐形パルスフィルター７５の断面を示している。内部剛体安定化バー７８が、その円錐形構造を安定させるために使用される。パルスフィルター７５内への空気流Ｆは矢印で示されている。流量センサー５２は、空気流Ｆが流量センサー５２を通過し、それらが空気流Ｆを正確に測定することを可能とするように安定化バー７８内に配置されている。パルスフィルター７５はカバープレートを含み、その上には、温度、湿度および静圧センサーを含むセンサーシステム７７が取り付けられている。センサーシステム７７の位置は容易にアクセス可能であり、保守を容易にしている。さらに、カバープレート上のセンサーシステム７７の配置は、パルスフィルター７５を通る空気流Ｆを妨げない。

流量センサー５２を有する各フィルターパッケージ５０を通る計算された全空気流量と、流量センサー５２を含まないフィルターパッケージ５０を通る推定空気流量とを使用して、二次元流れ場マップを生成することができる。図５に示されるような入口フィルターハウスの実施形態に対応する補間された二次元流れ場マップ８０の例が図６に示されている。異なる陰影は変化する空気流を表し、黒い点は空気流量センサー５２の中心に対応する。

チャンバー３０を通る質量流量を得るために、チャンバー３０内の空気の密度も計算する必要がある。フィルターパッケージ５０全体にわたる空気流量センサー５２の分布と同様に、フィルターパッケージ５０全体にわたる圧力センサー、温度および湿度センサー７２の分布を使用して、密度場を生成することができる。図５のＸは、圧力センサー、温度センサーおよび／または湿度センサー７２のフィルターパッケージ内の位置を示している。全てのフィルターパッケージ５０が圧力センサー、温度センサーまたは湿度センサー７２を含む必要はない。各フィルターパッケージ５０は、圧力センサー、湿度センサー、温度センサーまたはこれらのセンサー７２の組み合わせを含むことができる。また、空気流量センサー５２を含む各フィルターパッケージ５０は、圧力センサー、湿度センサーまたはこれらのセンサー７２の組み合わせを含むことができる。空気流量センサー５２を含む各フィルターパッケージ５０は、圧力センサー、湿度センサーまたはこれらのセンサー７２の組み合わせのいずれも含まなくてもよい。割り当てられた圧力、温度および湿度センサー７２からのセンサー信号データを用いて、図６に示すような補間空気流れ場８０と類似の補間密度場をコントローラー７０によって計算することができる。

補間流れ場８０は、チャンバー３０内および圧縮機の入口２０内への空気質量流を特徴付ける空気質量場を得るために、補間密度場によって乗算されてもよい。空気質量流れ場９０からの各フィルターパッケージ５０内の空気質量流量を合計すると、チャンバー３０内、したがって圧縮機の入口２０内への全空気質量流量が得られる。

コントローラー７０は、これに限定されないが、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、プロセッサーまたは処理デバイス、メモリ、記憶デバイス、通信リンクおよびデバイス、サーバー、Ｉ／Ｏデバイス、または特許請求の範囲に記載された本発明を具現化する、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェアまたはそれらの組み合わせもしくはサブセットを含む一つ以上の処理システムのサブコンポーネントを含むことができる。

図１ないし図７を参照すると、ガスタービン１０の圧縮機セクション１２内への空気質量流量を測定するための方法も提供される。図７は、本方法におけるステップを含むフローチャートを示すが、このステップは必ずしも示された順序で実行される必要はない。空気流Ｆは、圧縮機セクション１２の入口２０から上流でチャンバー３０内に導入され（ステップ１００）、ここで、チャンバー３０内に導入された空気の実質的に全部が、並列に配置された複数のフィルターパッケージ５０の一つを通過する。上述したように、フローパッケージ５０の少なくともいくつかは、流量センサー５２とフィルター構造体５４とを含み、フィルター構造体５４は空気を濾過する。各空気流量センサー５２は、対応するフィルターパッケージ５０を通って流れる空気の速度を測定する。コントローラー７０は、流量センサー５２の信号データを使用して、チャンバー３０を通る二次元流れ場８０を特徴付ける。複数のセンサー７２がフィルターパッケージ５０の全体にわたって割り当てられる。センサー７２は、圧力センサー、湿度センサーおよび温度センサーを含む。コントローラー７０は、チャンバー３０内の密度場を特徴付けるために温度、湿度および静圧信号データを使用し、空気質量流れ場を計算するために流れ場８０を密度場と組み合わせる。

個々の空気流量センサー５２からの信号データを使用して、コントローラー７０は、チャンバー３０を通る流れ場を特徴付け、流れ場マップ８０を生成することができる。コントローラー７０は、フィルターパッケージ５０を通る空気の速度を精確に示す信号データならびにチャンバー３０内の空気の温度、そして対応するフィルターパッケージ５０の流動面積を使用して、流量センサーを有する各フィルターパッケージ５０を通る空気の全流量を計算する（３００）。流量センサー５２を持たないパッケージ５０の場合、コントローラー７０は、流量センサーを有する各フィルターパッケージを通る計算された空気の総流量に基づいて、流量センサー５２を持たない各フィルターパッケージ５０を通る空気の総流量を推定し得る（４００）。流量センサー５２を有する各フィルターパッケージ５０を通る総空気流量の計算、および流量センサー５２を持たない各フィルターパッケージ５０を通る総空気流量の推定値を使用して、コントローラー７０は、チャンバー３０を通過する補間流れ場８０を生成することができる（５００）。

チャンバー３０を通る流れ場８０を特徴付けることと同様に、コントローラーは、チャンバー内の空気の密度を特徴付けることができ、そして補間密度マップを生成することができる（６００）。分布温度および湿度信号データは、チャンバー３０内に、チャンバー内の補間二次元温度場、チャンバー３０内の補間二次元湿度場をそれぞれ生成するためにコントローラー７０によって使用される。静圧測定値と共にこれら補間場から、チャンバー３０内の空気の密度を特徴付ける補間密度場が生成される。

次に、コントローラー７０は、補間空気流れ場８０を補間密度場と組み合わせることができる（７００）。補間空気流れ場８０を補間密度場と組み合わせる一つの方法は、これらの場を互いに掛け合わせて空気質量流れ場を生成することであろう。補間空気流れ場８０を補間密度場と組み合わせる他の方法もまた可能である。複数のフィルターパッケージ５０を通る、したがってチャンバー３０自体を通る空気の総空気質量流量を単一の値として得るために、空気質量流量場を積分（合計）することができる（８００）。

コントローラー７０は、チャンバー３０を通過して圧縮機の入口２０に流入する総空気質量流量の値を使用して、ガスタービンエンジン１０の効率を向上させるための最適な方法を決定することができる。例えば、コントローラー７０は、総空気質量流量の値に基づいて、ガスタービンエンジン１０の運転パラメーターを変更することができる。運転パラメーターは、圧縮機セクション１２内への空気流量を調整するために、かつ／または燃焼器セクション１４内への燃料流量を変更するために、入口案内羽根１８の位置を変更することを含むが、これには限定されない。

流量センサー５２の小さなインピーダンスを補正するために補正係数を空気質量流量の計算に使用することができる。この小さなインピーダンスのために、流量センサー５２を持たないフィルターパッケージ５０を通るよりも僅かに少ない空気が流量センサー５２を有するフィルターパッケージ５０を通って流れる。補正係数は、フィルターパッケージ５０を通る初期空気流速に基づいてもよい。初期空気流速と、空気流量センサー５２の空気流速の関数である既知の余剰空気流インピーダンスとから、流量センサーを有するフィルターパッケージと流量センサーを持たないフィルターパッケージとの間の静圧差を計算することができる。この静圧差は、流量センサーを有するフィルターパッケージと流量センサーを持たないフローパッケージとの間の空気流量の比例差である。空気流量センサー５２を有するフィルターパッケージ５０内の静圧は、空気流量センサー５２を持たないフィルターパッケージ内の静圧と比較される。この比較から、補正係数を決定することができる（ステップ２００）。この補正係数は、空気質量流量の計算にリアルタイムで適用されるアルゴリズムの形態であってもよい。その結果、例えば、フィルター構造体がダストで汚れているときにフィルター構造体５４に関する圧力差が流量センサー５２に関する圧力差よりも大きくなるように、補正係数はフィルターパッケージ５０の汚れに基づいて変化する。この状況では、補正係数は１に向かって推移し、空気質量流量の計算には影響を与えない。

上述した方法は、フィルター位置での直接流量測定を可能にするので、フィルター構造体５４の汚れ度を特定するために使用することができる。この特定により、サービス担当者は、個別のフィルターが汚れているどうかについて、よりよく情報を得ることができる。どの個別のフィルターが汚れているかを知っているので、担当者は、一度に全てのフィルターを交換または清掃する代わりに（これは一般的な手法である）、汚れたフィルターだけを選択的に交換または清掃することができる。フィルターの汚れは経時的な流量分布の変化によって推定することができる。例えば、図６を参照すると、補間流れ場８０の流動領域８２は流動領域８１よりも非常に高い流量を示す。したがって、流動領域８２は、この流動領域内のフィルター構造体５４内に、より多量のダストを堆積させている。さらに、フィルターの汚れについての知識によって、圧縮機の洗浄もまた最適なタイミングで行うことができる。圧縮機の洗浄では噴霧された水が圧縮機２０の入口に導入されるが、これは、汚れおよびその他の蓄積物質を圧縮機ブレードから洗い流し、それをその好ましい本来のきれいな状態へと戻す。

フィルター構造体の汚れを判定するために、いくつかの方法を実施することができる。第１の時刻にコンパイルされた第１の補間空気質量流れ場は、第２の時刻（第２の時刻は第１の時刻よりも遅い）にコンパイルされた第２の補間空気質量流れ場と比較されてもよい。第１の時刻から第２の時刻へと流動面積が変化した場合、第１の時刻と第２の時刻とでエンジンの運転パラメーターが同じであると仮定して、流動領域内のフィルター構造体が交換されてもよい。第１の時刻と第２の時刻との間の補間空気質量流れ場のこの変化は、ガスタービンエンジンの運転パラメーターが第１の時刻と第２の時刻とで同じである場合に特定の流動領域のフィルター構造体が汚れていることを示す流れ変化を意味する。ガスタービンの物理的運転パラメーターは、スロットル位置、蒸気入口圧力および蒸気入口温度ならびに排気真空圧力を含むことができるが、これらには限定されない。

フィルター構造体の汚れ度を特定するための方法の別の実施形態は、第１の時刻における第１の総空気質量流量と第２の時刻（第２の時刻は第１の時刻よりも遅い）における第２の総空気質量流量との間の差を計算することを含む。この差が所定の閾値を超えたときにフィルター構造体を交換することができる。先の実施形態と同様に、タービンエンジンの運転パラメーターは、第１の時刻と第２の時刻とで同じである。

フィルター構造体の汚れ度を特定するための方法のさらなる実施形態は、上述した二つの方法の方法論を組み合わせるアプローチを含む。第１の時刻にコンパイルされた第１の補間空気質量流れ場は、第２の時刻（第２の時刻は第１の時刻よりも遅い）にコンパイルされた第２の補間空気質量流れ場と比較されてもよい。第１の時刻における流動領域内の第１の空気質量流量と第２の時刻における流動領域内の第２の空気質量流量との間の差が計算される。この差が所定の閾値を超えたときにフィルター構造体を交換することができる。

空気質量流量を測定する開示された方法ならびに圧縮機セクション内への空気質量流量を測定するためのシステムは、低フローインピーダンスデバイスならびに安価な電子機器および計算を用いて正確な質量流量測定を達成する。加えて、湿度、温度、静圧センサーと共に流量センサーをガスタービンの空気取入れ口全体に分散させて、圧縮機入口質量流量を正確に特定することができる。シンプルなプロセッサー上で実行される数学的アルゴリズムは、空気フィルターのアレイの前方でガスタービン取入れ口全体に疎に割り当てられたセンサーのサンプリングのみを使用して、ガスタービン取入れ口全体の完全な空気流れ場および密度場を補間することができる。疎分布のセンサーを使用することは、設置時間を減少させるだけでなく、提案されたシステムを設置するコストを下げる。さらに、空気質量流量測定値を使用して、エアフィルターの汚れの程度を判定し、圧縮機洗浄のタイミングを最適化することができる。この知識により、サービス担当者は、全てのエアフィルターを一度に交換するという標準的な方法ではなく、汚れたフィルターのみを交換することを選択できる。全てのフィルターのサブセットのみを交換すると、大幅なコスト削減につながる。最後に、この方法はまた、提案されたパルスフィルター内のセンサーの配置を使用して、円錐形パルスフィルターに対しても実施可能である。

本開示の実施形態を例示的な形態で開示したが、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲およびその均等物から逸脱することなく、多くの変更、追加および削除をなし得ることは当業者には明らかである。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機セクション
１４ 燃焼器セクション
１６ タービンセクション
１８ 入口案内羽根
２０ 圧縮機入口
３０ チャンバー
３２ システム
３４ 単一平面開口
３６ 外壁
３８ 出口
４０ 空気供給管
５０ 並列フィルターパッケージ
５２ 空気流量センサー
５４ フィルター構造体
６０ プレフィルター
６２ メインフィルター
６４ 流路
７０ コントローラー
７２ センサー
７５ 円錐形パルスフィルター
７７ センサーシステム
７８ 内部剛体安定化バー
８０ 流れ場
８１，８２ 流動領域
９０ 空気質量流れ場

Claims (15)

1. ガスタービンエンジン１０の圧縮機セクション１２内への空気質量流量を測定するための方法であって、
   前記圧縮機セクション１２の入口２０から上流のチャンバー３０内に空気を導入するステップであって、前記チャンバー３０内に導入された空気の実質的に全てが並列に配置された複数のフィルターパッケージ５０の一つを通過し、前記フィルターパッケージ５０の少なくともいくつかは流量センサー５２およびフィルター構造体５４，７５を含み、前記フィルター構造体５４は空気を濾過する、ステップと、
   コントローラー７０によって前記空気流量センサーの信号データを利用して、前記チャンバー３０を通る二次元流れ場８０を特徴付けるステップと、
   複数のセンサー７２を配置するステップであって、前記センサー７２は、温度、湿度および静圧を測定し、前記複数のフィルターパッケージ５０全体に分散させられる、ステップと、
   前記コントローラー７０によって、温度、湿度および静圧センサーの信号データを利用して、前記チャンバー３０を通る二次元密度場を特徴付けるステップと、
   前記コントローラー７０によって、前記流れ場と前記密度場とを組み合わせて、二次元空気質量流れ場を計算するステップと、
   を含み、
   各流量センサー５２は、対応するフィルターパッケージ５０を通って流れる空気の速度を測定する、方法。
2. 前記コントローラー７０によって、測定された空気の速度と、前記チャンバー３０内の空気の温度分布と、各フィルターパッケージ５０の流動面積とを用いて、流量センサー５２を有する各フィルターパッケージ５０を通る空気の総流量を計算する、請求項１に記載の方法。
3. 前記コントローラー７０は、
   流量センサー５２を有する各フィルターパッケージ５０を通る空気の計算された総流量を使用し、かつ、
   流量センサー５２を有する各フィルターパッケージ５０を通る空気の計算された総流量に基づいて、流量センサー５２を持たない各フィルターパッケージ５０を通る総空気流を推定することによって、
   複数の並列フィルターパッケージ５０を通る流れ場を特徴付けるために補間流れ場８０を生成する、請求項２に記載の方法。
4. 前記コントローラー７０は、温度、湿度および静圧信号データを用いて、前記複数のフィルターパッケージ５０を通る空気の密度を特徴付けるために二次元補間密度場を生成する、請求項３に記載の方法。
5. 前記組み合わせることは、前記補間流れ場に前記補間密度場を乗じて、空気質量流れ場を生成することを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記空気質量流れ場を積分して、前記複数の並列フィルターパッケージ５０を通る空気の全質量流量を特定することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 空気の総質量流量に基づいて前記ガスタービンエンジン１０の運転パラメーターを変更することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記ガスタービンエンジン１０の運転パラメーターの変更は、前記圧縮機セクション１２内への空気Ｆの流量を調整するために入口案内羽根１８の位置を変更すること、および燃焼器セクション１４内への燃料流量を変更することの一つ以上を含む、請求項７に記載の方法。
9. 初期測定空気流に基づく補正係数を適用して、前記複数のフィルターパッケージ５０を通る流れインピーダンスを補正する、請求項１に記載の方法。
10. 前記複数のフィルターパッケージ５０は平行流測定ボックスとして配置され、
    前記複数の流量センサー５２は、前記圧縮機セクション１２の前記入口２０内への空気Ｆの流れと平行な同一平面内に存在する、請求項１に記載の方法。
11. 前記複数のフィルターパッケージ５０が平行円錐形パルスフィルター７５として配置される、請求項１に記載の方法。
12. 前記流量センサー５２は、対応するパルスフィルター７５の安定化バー７８内に配置される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記フィルター構造体５４のフィルター汚れ度を、第１の時刻での第１の総空気質量流量と、前記第１の時刻より後の第２の時刻での第２の総空気質量流量との間の差を計算することによって特定することと、
    前記差が所定の閾値を超えたときに前記フィルター構造体５４を交換することと、をさらに含み、
    前記ガスタービンエンジン１０の運転パラメーターは前記第１の時刻および前記第２の時刻において同じである、請求項６に記載の方法。
14. 前記フィルター構造体のフィルター汚れ度を、第１の時刻での第１の補間空気質量流れ場と、前記第１の時刻より後の第２の時刻での第２の補間空気質量流れ場とを比較することによって特定することと、
    流動領域内の前記空気質量流が前記第１の時刻から前記第２の時刻へと変化したときに前記フィルター構造体５４を交換することと、をさらに含み、
    前記ガスタービンエンジン１０の運転パラメーターは前記第１の時刻および前記第２の時刻において同じである、請求項５に記載の方法。
15. 前記フィルター構造体５４のフィルター汚れ度を、
    第１の時刻での第１の補間空気質量流れ場と、前記第１の時刻より後の第２の時刻での第２の補間空気質量流れ場とを比較すること、および
    第１の時刻での流動領域内の第１の空気質量流量と、前記第１の時刻より後の第２の時刻での前記流動領域内の第２の空気質量流量との間の差を計算することによって特定することと、
    前記差が所定の閾値を超えたときに前記流動領域内で前記フィルター構造体５４を交換することと、をさらに含み、
    前記ガスタービンエンジン１０の運転パラメーターは前記第１の時刻および前記第２の時刻において同じである、請求項５に記載の方法。